超声波发生器与换能器的匹配设计
超声波换能器声阻抗匹配
超声波换能器声阻抗匹配
超声波换能器声阻抗匹配是超声波应用中的重要问题。
在超声波传播过程中，声波会从一个介质到另一个介质中传播，这两个介质的声阻抗往往不同。
为了实现最大的能量传递和最小的能量反射，需要进行声阻抗匹配。
声阻抗是指声波在介质中传播时遇到的阻力，它是介质的密度和声速的乘积。
当声波从一个介质传播到另一个介质时，由于介质的声阻抗不同，会产生反射和透射。
如果两个介质的声阻抗不匹配，反射波会增加，透射波会减少，导致能量损失。
为了实现声阻抗的匹配，可以采用不同的方法。
一种常用的方法是使用耦合剂，将超声波换能器和被测物体之间的空气隙填充。
耦合剂可以是液体或者凝胶状物质，能够提高声波的传播效率，减少反射。
另一种常用的方法是使用匹配层。
匹配层是一种具有特殊声阻抗的材料，能够将超声波换能器的声阻抗与被测物体的声阻抗匹配。
匹配层通常是一种特殊的橡胶材料，具有与超声波换能器和被测物体相近的声阻抗。
通过使用匹配层，可以减少反射和能量损失，提高超声波的传播效率。
在实际应用中，超声波换能器的声阻抗匹配对于超声检测和成像的质量至关重要。
如果声阻抗不匹配，会导致信号衰减、图像模糊和
分辨率降低。
因此，声阻抗匹配是超声波应用中需要重视的问题。
超声波换能器声阻抗匹配是超声波应用中的重要问题。
通过合理选择耦合剂或使用匹配层，可以实现声阻抗的匹配，提高超声波的传播效率，从而获得更清晰、更准确的超声检测和成像结果。
这对于超声波应用的发展具有重要意义。
我们应该重视声阻抗匹配问题，不断研究和改进匹配技术，推动超声波应用的进一步发展。
超声波发生器与换能器
超声波发生器与换能器谐振点匹配问题
深圳市太和达科技有限公司，位于中国超声波清洗机行业龙头之都—深圳。
多年来，凭借优质的服务，卓越的品质，用稳定的质量，在顾客中树立了良好的口碑，加上长期以来顾客朋友的大力支持，客户数量直线上升，现客户量已达全国各地，部分电镀设备厂配我公司发生器远销国外，赢得顾客信赖。
但要做好超声波清洗机，不得不说一点，那就是关于超声波发生器与换能器的匹配问题。
这就要求，发生器必须要与换能器之间找到谐振点。
部分新做超声波清洗机的顾客会问。
自己买的发生器，出厂设定为28KHZ，而换能器的频率也是28KHZ，不是已经匹配了吗？非也，换能器的实际频率，不是完全的出厂配置频率，与粘贴工艺有关，粘贴精密程度有关，胶水多少有关，紧固螺钉垂直度有关，与水位有关，水温有关，甚至与清洗介质的添加剂有关等等。
因此，每台发生器在使用时，都应该针对超声波发生器的频率进行适当修正调节，调节频率的同时，必须有一点要注意，那就是先调节超声波发生器的电感量，根据发生器输出超声波功率的大小、电流大小、声音、清洗效果等调节好最佳电感量，达到匹配，找到谐振点，并对频率进行微调，达到最佳超声效果。
当然，调节的电感量，要与超声波发生器功率有关，如最大功率为5A的，调节电流大概在4.5A比较合适。
进行频率微调后，超声波电流将会达到最佳输出效果。
这样做的好处有：不会因为谐振点不匹配，导致换能器发热，温度过高，导致容易烧坏；也不会因为发生器与换能器不匹配，烧掉发生器电源；同时可以确保清洗效果达到最佳。
深圳市太和达科技有限公司发表——。
超声波发生器与换能器的匹配设计
时间：2008-1-31 16:25:22来源：转载文号：大中小超声波发生器与换能器匹配包括两个方面，一是通过匹配使发生器向换能器输出额定的电功率，这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输出额定功率所致，把换能器的阻抗变换成最佳负载，也即阻抗变换作用；二是通过匹配使发生器输出效率最高，这是由于换能器有静电抗的原因，造成工作频率上的输出电压和电流有一定相位差，从而使输出功率得不到期望的最大输出，使发生器输出效率降低，因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，使发生器负载为纯电阻，也即调谐作用。
由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。
中国超声波论坛二、阻抗匹配为了使功率放大器输出额定功率最大；在电源电压给定条件下主要取决于负载阻抗。
一般在D类开关型功放中其发生器变压器初级等效负载Rl'上的输出功率表达式，式中，VAm 为等效负载上的基波幅度；vcc为电源电压；vces为功放管饱和压降，故为了保证系统有一定功率余量(因输出变压器，末级匹配回路及晶体管损耗电阻都有损耗，po' 需要乘上一个约等于1．4—1．5的系数。
即输出功率po为1．5Po'；从上式可知，在电源电压给定之后，输出功率的大小取决于等效负载RL’。
目前大多数功率超声发生器的负载为压电型换能器，其阻抗约为几十欧姆至几百欧姆间，为了要达到要求的额定功率，因此需要对换能器负载RL进行阻抗变换。
由高阻抗变换为低阻抗。
一般常用的方法，通过输出变压器的初次级线圈的匝数比进行变换。
变压器次初级匝数比为n／m，则输出功率PO时的初级电阻举例：要求一发生器输出在换能器上的功率为1000W，设直流电VCC为220V，VCES=10V，功率应留有一定余量，则PO='=1500W。
则变压器初级的Ω若换能器谐振时等效电阻RL＝200Ω，则输出变压器次级／初级圈数比以上称谓阻抗变换，是通过输出变压器实行的。
输出变压器是超声波发生器阻抗匹配、传输功率的重要部件，它的设计与绕制工艺对发生器的工作安全是十分重要的。
超声换能器及匹配电路
检测超声换能器
检测超声换能器是实现产生和接收超声信 号的主要器件.目前检测超声换能器主要是 利用压电材料制成的压电陶瓷超声换能器、 静电换能器以及电磁声换能器等.
电磁超声
F=I×B
图为一个传统的压电式超声检测用纵波直 探头.
静态匹配电路
55静态匹配电路静态匹配电路66电感电容匹配改进电感电容匹配t型匹配77比较比较串联电感匹配后的有功电阻小于并联匹配的有功电阻且串联匹配后所需的激励电压也小于并联匹配的激励电压
超声换能器及匹配电路超声波• 特性：方向性好强度大、对固体、液体 的穿透本领强
• 对介质的作用：机械作用、热作用、空化 作用
电感-电容匹配
改进电感电容匹配
T型匹配
比较
• 串联电感匹配后的有功电阻小于并联匹配的有功 电阻,且串联匹配后所需的激励电压也小于并联匹 配的激励电压.
• T型网络匹配,理论推导简单,不必测L1、C1的值; 且输出电阻较单个串联电感进一步减小,是一种更 好的匹配网络.
• 改进的电感-电容匹配比电感-电容匹配的可调节 参数(L、C)增多一可变电容Cd,且有功电阻也再进 一步减少,Qe也再进一步增大,滤波性能也再进一 步增加,是一种较理想的匹配.
超声波电源驱动电路的设计
超声波换能器驱动电路的设计
壹
针对过流产生时，设计的软件和硬件电路双重封锁PWM信号。 创新点： 创新点： 1 2 解释： 解释： 硬件电路上双重控制PWM 信号。当没有过流发生时， EXB841的5引脚不输出故 障信号，此时5引脚输出 的是高电平，三极管VA0 不导通，此时，与门1引 脚为高电平，由单片机产 生的PWM使三极管VA1导 3 通，此时，与门2引脚为 高电平，与门输出高
贰
针对EXB841芯片内部提供的-5V负偏压不足重新设计的电路。 创新点： 创新点： 解释： 解释： EXB841使用单一的20V电 源产生+15V和-5V偏压。 在高电压大电流条件下， 开关管通断会产生干扰， 使截止的IGBT误导通，针 对负偏压不足的问题，设 计了外部负栅压成型电路， 用外接8V稳压管VA9代替 了EXB841芯片内部的5V VA9为8V稳压管 稳压管。电源电压升为 24V。
超声波换能器驱动电路的设计
EXB841芯片简介
EXB841芯片包含正常开通过程、正常关断过程和过流保护动作三项功能. 当1 4和15两脚 间外加PWM控制信号时候，15和14脚有10mA ～ 25mA，在GE两端产生约15v ～ 18v的 IGBT开通电压；当触发控制脉冲电压撤消时，在GE两端产生约-5.1 V的IGBT关断电压. 过流保护动作过程是根据IGBT的CE极间电压Uce的大小判定是否过流而进行保护的，
超声波换能器驱动电路的设计
壹
针对过流产生时，设计的软件和硬件电路双重封锁PWM信号。 创新点： 创新点： 1 2 解释： 解释： 电平，三极管VA2导通， 驱动EXB841芯片工作， 当出现过流时，5引脚输 出故障信号，一路信号输 出至触发器S端，此时，S 端为高电平，Q端输出高 电平，使三极管VA0导通， 此时，与门1引脚为低电 3 平； 另一路信号，输至单 片机，经过单片机
超声波发生器与换能器的匹配设计
`超声波发生器与换能器的匹配设计选自《近代超声原理与应用》袁易全主编作者：思忠一、匹配概述超声波发生器与换能器匹配包括两个方面，一是通过匹配使发生器向换能器输出额定的电功率，这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输出额定功率所致，把换能器的阻抗变换成最佳负载，也即阻抗变换作用；二是通过匹配使发生器输出效率最高，这是由于换能器有静电抗的原因，造成工作频率上的输出电压和电流有一定相位差，从而使输出功率得不到期望的最大输出，使发生器输出效率降低，因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，使发生器负载为纯电阻，也即调谐作用。
由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。
二、阻抗匹配为了使功率放大器输出额定功率最大；在电源电压给定条件下主要取决于负载阻抗。
一般在D类开关型功放中其发生器变压器初级等效负载Rl'上的输出功率表达式为：为等效负载上的基波幅度；式中，V AmV为电源电压；V为功放管饱和压降，故cescc因输出变压器，末级匹配回路及晶(为了保证系统有一定功率余量的系数。
51．4体管损耗电阻都有损耗，Po' 需要乘上一个约等于1．—；．5Po'为即输出功率Po1在电源电压给定之后，输出功率的大小取决于等效负从上式可知，。
目前大多数功率超声发生器的负载为压电型换能器，其阻抗约'载R L 为几十欧姆至几百欧姆间，为了要达到要求的额定功率，因此需要对换进行阻抗变换。
由高阻抗变换为低阻抗。
一般常用的方法，R能器负载L变压器次初级匝数比通过输出变压器的初次级线圈的匝数比进行变换。
时的初级电阻，则输出功率mP／为n O文档Word`，设直流电1000W举例：要求一发生器输出在换能器上的功率为。
则'=1500W，功率应留有一定余量，则P=1.5P=1VV为220V，V OCESOCC 变压器初级的6.5Ω，则输出变压器次级／初级圈＝200Ω若换能器谐振时等效电阻RL 数比以上称谓阻抗变换，是通过输出变压器实行的。
一种新型超声发生器的设计方案
一种新型超声发生器的设计方案作者：***来源：《今日自动化》2021年第04期[摘要]提出了一种新型超声发生器的设计方案，在传统方案的基础上添加电流环控制和一种改进的闭环控制算法，使压电式超声换能器（以下简称换能器）的振动幅度稳定。
该方案解决了传统锁相控制算法在电流反馈幅度较小时失效以及电流环和锁相环的解耦等问题，提高了系统的快速性和稳定性。
将变压器的等效电感匹配网络的设计中，提高了系统的声电转换效率。
与传统单一锁相环相比，基于该超声发生器的超声焊接系统的振动幅度在响应的快速性和稳定性上均有显著提高。
[关键词]超声发生器;电流闭环控制;变压器等效电感;阻抗匹配网络[中图分类号]TB559 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（21）04–00–03A design Scheme of a New Type of Ultrasonic GeneratorWang Rong[Abstract]This paper presents a design scheme for a new type of ultrasonic generator， adding current loop control and an improved closed-loop control algorithm on the basis of the traditionalscheme to make piezoelectric ultrasonic transducers （hereinafter referred to as transducers） The vibration amplitude is stable. This solution solves the problems of failure of the traditional phase-locked control algorithm when the current feedback amplitude is small and the decoupling of the current loop and the phase-locked loop， and improves the rapidity and stability of the system. Considering the equivalent inductance of the transformer into the design of the matching network，the system's acoustic-electric conversion efficiency is greatly improved. Compared with the traditional single phase-locked loop， the vibration amplitude of the ultrasonic welding system based on the ultrasonic generator is significantly improved in response speed and stability.[Keywords]ultrasonic generator; current closed-loop control; transformer equivalent inductance; impedance matching network全自动金线键合机是芯片封测设备中技术要求最高的设备，它完成半导体芯片和支架之间的电气连接，采用的工艺是热压超声焊。
超声波换能器的匹配设计
超声波换能器的匹配设计一、匹配概述超声波发生器与换能器匹配包括两个方面，一是通过匹配使发生器向换能器输出额定的电功率，这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输出额定功率所致，把换能器的阻抗变换成最佳负载，也即阻抗变换作用；二是通过匹配使发生器输出效率最高，这是由于换能器有静电抗的原因，造成工作频率上的输出电压和电流有一定相位差，从而使输出功率得不到期望的最大输出，使发生器输出效率降低，因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，使发生器负载为纯电阻，也即调谐作用。
由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。
二、阻抗匹配为了使功率放大器输出额定功率最大；在电源电压给定条件下主要取决于负载阻抗。
一般在D类开关型功放中其发生器变压器初级等效负载Rl'上的输出功率表达式为：式中，V Am为等效负载上的基波幅度；vcc为电源电压；vces为功放管饱和压降，故为了保证系统有一定功率余量(因输出变压器，末级匹配回路及晶体管损耗电阻都有损耗，po' 需要乘上一个约等于1．4—1．5的系数。
即输出功率po为1．5Po'；从上式可知，在电源电压给定之后，输出功率的大小取决于等效负载RL’。
目前大多数功率超声发生器的负载为压电型换能器，其阻抗约为几十欧姆至几百欧姆间，为了要达到要求的额定功率，因此需要对换能器负载RL进行阻抗变换。
由高阻抗变换为低阻抗。
一般常用的方法，通过输出变压器的初次级线圈的匝数比进行变换。
变压器次初级匝数比为n／m，则输出功率PO时的初级电阻举例：要求一发生器输出在换能器上的功率为1000W，设直流电VCC为220V，VCES=10V，功率应留有一定余量，则PO=1.5PO'=1500W。
则变压器初级的若换能器谐振时等效电阻RL＝200Ω，则输出变压器次级／初级圈数比以上称谓阻抗变换，是通过输出变压器实行的。
输出变压器是超声波发生器阻抗匹配、传输功率的重要部件，它的设计与绕制工艺对发生器的工作安全是十分重要的。
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声波发生器与换能器的匹配设计
超声波发生器与换能器的匹配设计
选自《近代超声原理与应用》袁易全主编作者：陈思忠
、匹配概述超声波换能器与发生器匹配包括两个方面，一是通过匹配使发生器向换能器输出额定的电功率，这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输出额定功率所致，把换能器的阻抗变换成最佳负载，也即阻抗变换作用；二是通过匹配使发生器输出效率最高，这是由于换能器有静电抗的原因, 造成工作频率上的输出电压和电流有一定相位差，从而使输出功率得不到期望的最大输出，使发生器输出效率降低，因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，使发生器负载为纯电阻，也即调谐作用。
由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。
、阻抗匹配
为了使功率放大器输出额定功率最大；在电源电压给定条件下主要取决于负载阻抗。
一般在D类开关型功放中其发生器变压器初级等效负载RI' 上的输出功率表达式为：
式中，VAm为等效负载上的基波幅度;
vcc为电源电压；vces为功放管饱和压降，故
为了保证系统有一定功率余量（因输出变压器，末级匹配回路及晶体管损耗电阻都有损耗，po'需要乘上一个约等于1. 4—1. 5的系数。
即输出功率po为1. 5Po';
从上式可知，在电源电压给定之后，输出功率的大小取决于等效负载RL'。
目前大多数功率超声发生器的负载为压电型换能器，其阻抗约为几十欧姆至几百欧姆间，为了要达到要求的额定功率，因此需要对换能器负载RL进行阻抗变换。
由高阻抗变换为低阻抗。
一般常用的方法，通过输出变压器的初次级线圈的匝数比进行变换。
变压器次初级匝数比为
n/m则输出功率PO时的初级电阻
举例：要求一发生器输出在换能器上的功率为1000W设直流电VCC为
220V, VCES=10V功率应留有一定余量，则PO=1.5PO'=1500W则变压器初级的
6.5 Q
若换能器谐振时等效电阻RL= 200Q,则输出变压器次级/初级圈数比
以上称谓阻抗变换，是通过输出变压器实行的。
输出变压器是超声波发生器阻抗匹配、传输功率的重要部件，它的设计与绕制工艺对发生器的工作安全是十分重要的。
它不仅会以漏感、励磁电流等方式影响电路的工作，其漏感还是形成输出电压尖峰的主要原因。
为此，在设计时，应选取具有高磁通密度B,高导磁率卩，高电阻率pc 和低矫顽力He的高饱和材料作铁芯。
一般在防止高频变压器的瞬态饱和时，在设计时要注意如下几点：
1. 工作磁通密度B的选取
铁芯材料的磁感应增量4B愈大，所需线圈匝数愈少，直流电阻R也愈小，从而线圈的铜损Pm也愈小。
4B取得高时，传输的脉冲前沿就愈陡。
因此，在设计变压器时，选取高磁通密度的材料作铁芯，这对降低变压器的损耗、减小体积和重量都是很有利的。
为了避免在稳态或过渡过程中发生饱和，一般选取工作磁通密度B W Bs/ 3为宜，这里Bs为磁芯的最大和磁通密度。
2. 要保证初级电感量足够大
一般要求变压器初级阻抗应满足下式关系：WLl> 15RL'，其中RL'为次
级负载所算到初级边的等效电阻值，WLl为初级电感感抗，若初级电感
量太小，励磁电流将比较大，励磁电流过大，变压器的损耗将增加，温升随之增高，从而降低Bs，使变压器进入饱和的可能性增大。
3. 要考虑“集肤效应”的影响
在高频工作时，流过导线的电流会产生“集肤效应”。
这相当于减少了导线有效截面积，增加了导线的电阻，从而引起导线的压降增大，导致变压器温度升高，结果增大了变压器进入饱和的危险性，建议采用小直径的多股导线并绕的方法。
三、调谐匹配
由于压电换能器有静电容Co,磁致伸缩换能器有静电感L0,在换能器谐振状态时，换能器上的电压VRL与电流IRL间存在着一相位角©，其输出功率pg
VRLIRLcos©。
由于©的存在，输出功率达不到最大值。
只有当© =0时，输出功率达最大值。
因此为了使换能器上电压VRL与电流IRL同相(© =0)，贝U必须在换能器上，并上或串上一个相抵消的抗。
对于压电换能器而言，即并上或串上一个电感L0即可，而磁致伸缩换能器应并上或串上一个电容Cd
压电换能器的阻抗或导纳等效电路如图1. 52所示。
在等效电路图中
式中R'(f) ，X'(f)为串联电阻和电抗；R(f)，G(f)，B(f)为并联电阻、电导和电纳。
它们都是频率的函数。
并联调谐和串联调谐电感量由下式确定：
下面我们比较一下两种调谐的差异
图1-53，1-54是一种换能器两种调谐计算曲线，由计算表明，
1由于换能器的串联电抗比并联电抗小，故有L串＜L并，
2并联调谐不改变换能器并联电导响应，而串联调谐后电导响应呈双峰，导纳圆图为二个重叠的圆。
3串联调谐的有功阻比并联调谐后有功阻小，即串联调谐可获得相对低的输入电阻。
4从串、并联调谐的输入相角过零点情况看，作为宽带特性并联调谐优于串联调谐。
5目前在超声功率中用串联调谐较多，除上述串联的特性外，还有当换能器负载有短路现象时，因串联调谐有电感串在发生器输出回路中，不会使功放负载造成完全短路。
在实际匹配电路调节中，有时要稍调获感性负载为好，对功放电路有利，有的末极功放发射极上串上一小电感可能也有好处。
前面也曾提到，作为电压开关的D类功放，容性负载造成
对高次谐波的短路作用，会给开关带来危险。
但也要注意感性负载会使管子反峰电压增加。
四、关于匹配电感的设计
匹配电感通常就是铁蕊线圈的电感，其电感量可按下式计算。
式中3为线圈匝数，Sc为铁芯有效截面积(cm2) ；lc铁芯平均磁路长度(cm) ;^e铁芯有效磁导率，
式中，卩~铁芯磁导率,lg铁芯中非磁致间隙长度(cm)；因为lg/lc〉〉1 /□ ~,故所以
由此可见电感L与间隙lg近似成反比，调节lg间隙即可调节LQ
设计电感有以下几个步骤；
(1) 按3 sc选铁芯
式中V为输出电压有效值(V) ; f为工作频率(Hz) ; B为铁芯磁感应强度。
一般选MXS 2000E型磁芯较多，匝数计算如下；
(2) 计算磁芯间隙lg
(3) 确定导线
考虑到咼次谐波和超声频率较咼，顺计及咼频电流的邻近效应和集肤效应的因素。
当f>10kHz时由邻近效应引起的交流电阻R哟为其直流电阻Rd的2—10倍，铜耗pr也要比直流铜耗Pro增大同样倍数。
令增大倍数为k，则:
Pr=kPro
因此，为维持电感线圈的正常升温，电流密度必须按照常规允许值的1 / k-1来选择。
关于集肤效应，常用高频电流的穿透深度B来表示
式中，卩为导线磁导率，r为导线电导率为减少集肤效应的影响，所选导线直径D必须小于两倍穿透深度B,否则采用扁平线或者高频线。
在功率超声中其频率为15-40千赫的匹配电感导线可以采用多股塑胶线，一般问题不大。
匹配电感连续工作8小时如果温升正常，则表明设计是成功的。